リアルタイム
システム

0.1 今回の位置づけ ／ 第1段階の締めくくり

Week 1〜3 で作れるようになった要素を、1個の CPU の上で回し続ける

Week 1〜3：
マイコンの原理・センサとの通信という要素技術

Week 4：
要素を同時に動かす統合の技術

姿勢制御・テレメトリ送信・コマンド受信という、周期も性質も違う仕事が1個の CPU で回り続ける

1.1 リアルタイムの定義

工学のリアルタイムは、処理が速いことではなく、決めた締め切り（デッドライン）を毎回守ること

速さでも平均でもなく、締め切りを毎回守れるか

1.2 締め切りの重さ

締め切り違反の被害で区別する ── 事故に直結するならハード、品質低下で済むならソフト

1.3 今日のお題

「LED 点滅の速度をスイッチで切り替える」は、衛星と同じ周期タスクとイベントの最小セット

LED を点滅させる

「500 ms ごと」という締め切り付きの周期タスク
 ＝ 姿勢制御・テレメトリと同じ性質

スイッチを判定する

いつ来るか分からないイベント
 ＝ コマンド受信と同じ性質

回路の補足

プルアップ抵抗：スイッチは GND に接続するかどうかを選ぶだけ
接続しないとき H にするため必要（I2C と同じ）

1.4 この章のまとめ ／ ここは覚えて次へ

周期の違う複数の仕事を1個の CPU で締め切り通りに回し続ける

sleep_ms(500) で待ちながら LED を反転し、ループの末尾でスイッチを1回だけ読む一本道

// [Code-01] 第1段：素朴版（骨格）while (true) {    gpio_put(LED_PIN, 1);    sleep_ms(interval_ms);        // 点灯のまま待つ    gpio_put(LED_PIN, 0);    sleep_ms(interval_ms);        // 消灯のまま待つ    if (gpio_get(SW_PIN) == 0) {  // 確認は1周に1回        interval_ms = (interval_ms == 500) ? 100 : 500;    }}

素朴版でスイッチを短く押すと、点滅速度が変わるまでに何が起きるか？（あてはまるものをすべて選ぶ）

Wokwi のシミュレータで素朴版を動かし、ボタンを押した瞬間と点滅速度が変わる瞬間のズレ（遅れ）を観察する

2.4 遅れの原因

sleep_ms(500) は戻るまで CPU を占有し続ける呼び出し（ブロッキング）。その間は他の仕事が進まない

2.5 取りこぼしの原因

sleep 中に始まって終わる短い入力は、末尾の 1 回の読みに残らず取りこぼされる

2.6 この章のまとめ ／ ここは覚えて次へ

素朴版の​​​「遅れ」も​​​「取り​こぼし」も、​​​待っている​​​間 CPU が​​​塞がる​​​ブロッキングと​​​いう​​​一つの​問題から​​​生じる

「LED 点滅と​​​スイッチ」と​​​いう​​​単純な​​​お題にも、​​​
組み込み開発の​​​確立された​​​定石が​​​既に​​​そろっている

3.1 第2段：ノンブロッキング化（time_us_64）

現在時刻が​​​締め切りを​​​過ぎたら​​​実行し、​​​
前回の​​​締め切りに​​​周期を​​​足して​​​次を​​​予約する

// [Code-02] 第2段：ノンブロッキング版（骨格）uint64_t next_toggle_us = time_us_64();while (true) {    uint64_t now = time_us_64();    if (now >= next_toggle_us) {         // 締め切りが来たか        led_on = !led_on;        gpio_put(LED_PIN, led_on);        next_toggle_us += interval_ms*1000; // 次を予約    }    if (gpio_get(SW_PIN) == 0) {         // 毎周確認できる        interval_ms = (interval_ms == 500) ? 100 : 500;    }}

3.2 レベルではなくエッジ

高速ループで“今押されているか”を見ると、1回の押下の間に何千回も反転する。“押した瞬間”＝立下り（1→0）だけを1回拾う

// [Code-03] 立下りエッジを自前で検出bool sw_prev = 1;                  // 前回の読み値（初期は H）while (true) {    // …点滅の締め切り判定は第2段のまま…    bool sw = gpio_get(SW_PIN);    // 今回の読み値    if (sw_prev == 1 && sw == 0)   // H→L の“その瞬間”だけ        interval_ms = (interval_ms == 500) ? 100 : 500;    sw_prev = sw;                  // 次回のために保存}

3.3 いま作った形の名前

高速に回りながら各仕事の締め切りを確認する無限ループ＝スーパーループ（協調的マルチタスク）

3.4 この章のまとめ ／ ここは覚えて次へ

まず型を​調べる。​今回は​スーパーループと​いう​型を​学ぶ。

センサ読みもテレメトリ送信も、点滅と同じ「締め切りが来たかを確認して実行し、次を予約する」形で足せる

どのカードも同じ形 ── 周期の数字が違うだけ

4.1 簡易スケジューラの構造

タスクごとに周期と前回の締め切りを持たせると、タスクの追加は if ブロック1つで済む

while (true) {
    uint64_t now = time_us_64();
    if (now - last_blink >= BLINK_US) { last_blink += BLINK_US; task_blink(); }    if (now - last_sense >= SENSE_US) { last_sense += SENSE_US; task_sense(); }
    if (now - last_telem >= TELEM_US) { last_telem += TELEM_US; task_telem(); }
    task_check_switch();              // イベントの確認は毎周
}

このスーパーループに、1回の実行に 50 ms かかる画像処理タスクを足すと、10 ms 周期のタスクはどうなるか？

4.3 この章のまとめ ／ ここは覚えて次へ

タスクは同じ形で増やせるが、1つでも実行の長い処理を挟むと、他のタスクの締め切りをまとめて壊す

ソフトウェアが一定間隔で「来た？」と見に行くポーリングでは、イベントは確認の隙間で起こり、次の見回りまで気づけない

5.1 ポーリングと割り込みの比較

同じ出来事でも、ポーリングは次の見回りまで遅れる。割り込みは瞬間に処理を中断して ISR へ飛ぶため、遅れが小さく一定になる

立下りエッジを​​​割り込み要因と​​​して​​​登録すると、​​​
押下の​​​瞬間に​​​メインの​​​処理を​​​中断して​​​ ISR が​​​呼ばれる

// [Code-04] 第4段：GPIO 割り込み（骨格） volatile uint32_t interval_ms = 500;   // 点滅間隔（ISR と共有） void on_switch(uint gpio, uint32_t events) {    interval_ms = (interval_ms == 500) ? 100 : 500;  // 間隔を切替} // main() で登録：押下＝GND への立下りエッジgpio_set_irq_enabled_with_callback(SW_PIN, GPIO_IRQ_EDGE_FALL, true, &on_switch);

5.3 点滅の締め切りもハードに刻ませる：タイマ割り込み

ハードウェアタイマ(に​​​よる​​​タイマ割り込み)は、​​​
メインの​​​処理と​​​無関係に​​​一定間隔で​​​ ISR を​​​呼び続ける

// [Code-05] タイマ割り込みで点滅を刻む bool on_blink_timer(repeating_timer_t *t) {    led_on = !led_on;    gpio_put(LED_PIN, led_on);    return true;   // true で繰り返し継続}add_repeating_timer_ms(-500, on_blink_timer, NULL, &timer);

5.4 ISR の作法：短く保つ

ISR は状態を更新する数行にとどめ、重い処理はメインループ側で行う

5.6 この章のまとめ ／ ここは覚えて次へ

割り込みで応答の遅れは一定・極小になる。ただし ISR は短く保ち、共有変数には volatile を付ける

CPU がやっていた定型の仕事をハードウェアに設定として渡すと、以降 CPU は関与せずに動き続ける

6.1 PWM とは：周期とデューティ比

カウンタが 0→wrap を1周する時間が「周期」、その中で H になる割合が「デューティ比」

6.2 設定と使いどころ：数行で委譲、ただし点滅には速すぎる

数行の​​​設定で​​​委譲でき、​​​以降​​​ CPU は​​​関与しない。​​​
ただし速すぎて​​​点滅には​​​不向きで、​​​明るさ制御や​​​サーボ指令に​​​使う。​​​

// [Code-06] 第5段：PWM に任せる（骨格） gpio_set_function(LED_PIN, GPIO_FUNC_PWM);uint slice = pwm_gpio_to_slice_num(LED_PIN);pwm_set_clkdiv(slice, 125.0f);   // 125 MHz → 1 MHzpwm_set_wrap(slice, 999);        // 0〜999 で折り返し → 1 kHzpwm_set_chan_level(slice, ch, 500);  // デューティ比 50%pwm_set_enabled(slice, true);    // 以降 CPU は関与しない

6.3 委譲の手段：PWM は入口、主流は DMA・PIO

定型の仕事をハードに任せる手段は複数ある ── PWM は最も簡単な入口で、実務の主流は DMA・PIO

6.4 この章のまとめ ／ ここは覚えて次へ

定型の仕事はハードへ委譲して CPU を空ける。PWM はその簡単な入口で、実務の主流は DMA・PIO

他にも方法がある

まとめ ／ 今日の解空間 ── 5つの型とその代償

まず解空間と設計の型を調べてから書き始める。知らない方法は選べない。

10.1 次回予告：Week 5 宇宙開発とシステムズエンジニアリング

第2段階へ ── 宇宙機の要求と制約から開発の進め方を学ぶ

ミッション要求とサクセスクライテリアの全体像を提示

制約が V 字モデルやモデルベース開発を必然にする理由

今日の​​​お題​「スイッチで​​​点滅速度を​​​切り​替える」を、​​​
Wokwi の​​​「Bounce」を​​​有効に​​​したまま​​​実装する

設定：Wokwi の「Bounce」（チャタリング模擬）を有効（＝既定）のまま。1回の押下で接点が数十回開閉する

①スイッチ単体で printf で検証：LED は関係なくスイッチの H/L のみを printf 文で出力し、チャタリングの様子を観測する。

②チャタリング対策の実装：LED の点滅をスイッチ（チャタリングあり・対策あり）で切り替えるプログラムを実装する。

回答（提出）：①②のコード(Wokwiのリンク)に加え、
採用した手法／広げた選択肢／最終的な選定理由 の3点を書く